DEPARTAMENTO DE EM ENGENHARIA MECÂNICA E DE PRODUÇÃO PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA
MARIA ELIENEIDE ARAÚJO
VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM RESFRIADOR DE ÁGUA OPERANDO EM CICLO DE ADSORÇÃO COM AQUECIMENTO SOLAR INDIRETO
VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM RESFRIADOR DE ÁGUA OPERANDO EM CICLO DE ADSORÇÃO COM AQUECIMENTO SOLAR INDIRETO
Dissertação submetida à Coordenação do Curso de Pós0Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica.
Área de Concentração: Processos, Equipamentos e Sistemas para Energias Renováveis
Orientadora: Profa. Dra. Maria Eugênia Vieira da Silva
VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM RESFRIADOR DE ÁGUA OPERANDO EM CICLO DE ADSORÇÃO COM AQUECIMENTO SOLAR INDIRETO
Dissertação submetida à Coordenação do Curso de Pós0Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, Área de concentração em Processos, Equipamentos e Sistemas para Energias Renováveis.
Aprovada em ___/___/______.
BANCA EXAMINADORA
____________________________________________________ Profa. Dra. Maria Eugenia Vieira da Silva (Orientadora)
Universidade Federal do Ceará
____________________________________________________ Prof. Dr. Paulo Alexandre Costa Rocha
Universidade Federal do Ceará
____________________________________________________ Prof. Dr. Hugo Leonardo de Brito Buarque
guardo de sua imensa ternura e ao meu pai por suas demonstrações de força para o trabalho,
Às dádivas de Deus, nosso pai eterno.
À minha orientadora Maria Eugenia Vieira da Silva, por sua seriedade e competência e por creditar confiança naqueles a quem transmite seus conhecimentos.
Ao Marcelo Ricardo Queiroz Medeiros, Lecimara Duque Estrada Coutinho, Régio Davis Barros Alves, Kaio Hemerson Dutra e Frederico Pinheiro Rodrigues pela ajuda indispensável.
Ao bolsista Júlio Cezar Souza de Lira em nome dos demais bolsistas do Laboratório de Energia Solar e Gás Natural, LESGN, que muito contribuíram no desenvolvimento do projeto experimental e de pesquisa.
Ao técnico Bonfim, por sua disponibilidade para a fabricação de acessórios para o protótipo na oficina mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica e de Produção.
À CAPES, à FUNCAP e ao CNPq, pela concessão de bolsa e apoio financeiro.
À minha irmã Socorro Batista por estender seu amor e amparar a realização de meus projetos.
À minha grande amiga Claudia Santos, por sua disposição para assumir as minhas tarefas enquanto decorria esse trabalho.
Aos meus irmãos e sobrinhos que me conduziram no sentido literal e metafórico com carinho e alegria nessa jornada.
Apresenta a validação experimental de um novo refrigerador solar por adsorção com aquecimento indireto. Os componentes do refrigerador são: adsorvedor, condensador, evaporador e coletor solar. A escolha do par adsorbato / adsorvente, água e sílica gel tipo RD, respectivamente, levou em consideração as temperaturas alcançadas pelos coletores e disponíveis para a dessorção do fluído refrigerante (água) das cavidades do material adsorvente (sólido poroso). Devido à coexistência das etapas de aquecimento e resfriamento no adsorvedor, foi definida uma geometria para este componente capaz de permitir uma melhor dissipação de calor no material adsorvente na fase de resfriamento, e a conservação de energia térmica durante a fase de aquecimento. Os resultados experimentais comprovaram o funcionamento do refrigerador, visto que foram atingidas temperaturas de 140ºC na entrada do adsorvedor, 80ºC no leito adsortivo e de 4,4ºC no evaporador, possibilitando sua aplicação em sistemas de condicionamento de ar.
This work presents the experimental validation of a new adsorption solar refrigeration with indirect heating. The components of the refrigerator are: an adsorber, a condenser, an evaporator, and a solar collector. The choice of the adsorbate / adsorbent pair, water and silica gel type RD, respectively, took into consideration the temperatures reached by the solar collectors and available for the desorption of the refrigerant fluid (water) from the cavities of the adsorbent material (a porous solid). Due to the co0existence of the heating and cooling phases in the adsorber, a specific geometry for this component was defined so as to allow a good heat dissipation in the adsorbent material in the cooling phase, and the conservation of thermal energy in the heating phase. The experimental results validate the operation of the refrigerator, as temperature valves of 140ºC at the inlet of the adsorber, of 80ºC in the adsorber bed, and of 4,4ºC in the evaporator were reached, allowing its application in air conditioning systems.
Figura 2.1 0 Formas de utilização de energia solar em sistemas de refrigeração (adaptado de
PRIDASAWAS e LUNDQVIST, 2003)...12
Figura 2.2 0 Fontes de energia térmica e possíveis aplicações (adaptado de DORGAN ., 1995) ...13
Figura 2.3 0 Ciclo básico de refrigeração por absorção...15
Figura 2.4 0 Ciclo básico de refrigeração por adsorção...17
Figura 2.5 0 Energia de flutuação da superfície adsorvente (adaptado de DUONG, 1998) ...26
Figura 2.6 0 Teoria BET para adsorção em multicamadas (adaptado de DUONG, 1998) ...28
Figura 2.7 0 Classificação de isotermas de adsorção segundo a IUPAC (adaptado de SING, 1984) ...29
Figura 2.8 0 Ciclo de adsorção representado no diagrama de Clapeyron ...33
Figura 2.9 0 Distribuição da irradiação solar direta, difusa e absorvida (adaptado de SEN, 2007) ...38
Figura 2.10 0 Posições da Terra em relação ao Sol em um ano (adaptado de SEN, 2007) ...38
Figura 2.11 0 Piranômetro de radiação global ...39
Figura 2.12 0 Piroheliômetro de precisão ...39
Figura 2.13 0 Ângulos relativos de incidência solar em superfície inclinada...40
Figura 2.14 0 Aleta/tubo do absorvedor solar ...41
Figura 4.1 0 Protótipo do refrigerador por ciclo de adsorção com aquecimento solar ...46
Figura 4.2 0 Adsorvedor trapezoidal (base retangular) de placa plana ...47
Figura 4.3 0 Condensador ...48
Figura 4.4 0 Evaporador...49
Figura 4.5 0 Coletor solar de placa plana...50
Figura 4.6 0 Sistema de alimentação de água ao evaporador...52
Figura 4.7 0 Sílica gel do tipo RD...53
Figura 4.8 0 Sistema de medição e aquisição de dados ...54
Figura 4.9 0 Fluxograma do refrigerador em ciclo de adsorção com aquecimento solar ...55
Figura 4.10 0 Isoterma de adsorção para o vapor de água e sílica gel tipo RD (CHUA 2002) ...58
solar local ...61 Figura 5.3 0 Aproximação entre valores medidos Chua (2002) e estimados...62 Figura 5.4 0 Medidas de temperatura no circuito de resfriamento e aquecimento e pressão do
Tabela 2.1 0 Sistemas de refrigeração alimentados por fonte de calor (adaptado de
PRIDASAWAS e LUDQVIST, 2003) ...14
Tabela 2.2 0 Adsorção física e quimissorção (adaptado de KARGE e WEITKAMP, 2008)...22
Tabela 2.3 0 Classificação dos SWSs conforme a composição de suas fases (adaptado de RESTUCCIA et al. 1999 ). ...25
Tabela 3.1 – Coeficientes da correlação para dois tipos de sílica gel + água (CHUA , 2002) ...45
Tabela 4.1 0 Dados do protótipo experimental ...57
Tabela 4.2 0 Condições iniciais de funcionamento do protótipo experimental ...58
Tabela A.1 0 Propriedades do fluido Dowtherm A, Líquido Saturado (Fabricante Dow Chemical Company)...69
Tabela A.2 0 Propriedades do fluido Dowtherm A, Vapor Saturado (Fabricante Dow Chemical Company)...69
Tabela B.1 0 Aplicações da sílica gel (fabricante Fuji Silysia)...70
Tabela B.2 0 Propriedades termofísicas da sílica gel (CHUA , 2002)...71
Tabela B.3 0 Isotermas de adsorção da sílica gel tipo RD (CHUA , 2002)...72
Tabela C.1 0 Mercado de sistemas de refrigeração solar térmica na Europa...73
Tabela C.2 0 Participação no mercado das tecnologias de refrigeração (KISSEL, 2008)...73
Tabela C.3 0 Localização dos sistemas implantados (KISSEL, 2008) ...73
Tabela C.4 0 Custos de sistemas de refrigeração por absorção e adsorção (KISSEL, 2008) ...73
Área [m2]
Condutância da junção [W/m2K] Coeficiente de desempenho Calor específico [J/kgºC] Distância / diâmetro [m] Energia de flutuação Fator de eficiência da aleta Fator de eficiência do coletor Fator de remoção de calor
ℎ Coeficiente de transferência de calor [W/m2K] Entalpia isostérica de adsorção [J/kg]
Taxa de radiação [W] Energia térmica da molécula Massa [kg]
Pressão [Pa] Calor [J]
Taxa de transferência de calor [W]
∗ Quantidade adsorvida de adsorbato pelo adsorvente nas condições de equilíbrio [kg/kg]
∗ Capacidade de adsorção em monocamada [kg/kg] Constante universal dos gases [J/kgK]
Fator geométrico do coletor Temperatura [ºC]
Absortividade Inclinação Emissividade
! Ângulo azimutal da superfície
" Ângulo azimutal solar
# Ângulo de incidência solar / enchimento fracional do poro
$ Eficiência
% Constante de Stefan Boltzmann [5,67x1008W/m2K4]
1 INTRODUÇÃO ...9
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...12
2.1 Formas de Utilização de Energia Solar em Sistemas de Refrigeração ...12
2.2 Sistemas Térmicos de Refrigeração Alimentados por Diferentes Fontes de Calor ...13
2.3 Sistema de Refrigeração por Absorção e Adsorção ...14
2.3.1 Ciclo de Refrigeração por Absorção ...15
2.3.2 Ciclo de Refrigeração por Adsorção ...16
2.4 Experiências Realizadas com Sistemas de Refrigeração por Adsorção...17
2.4.1 Protótipos Experimentais ...17
2.4.2 Materiais Adsorventes de Protótipos Experimentais ...20
2.5 Fundamentos da Adsorção ...21
2.5.1 Caracterização dos Materiais Adsorventes ...23
2.5.2 Tipos de Materiais Adsorventes...24
2.6 Teorias Básicas de Adsorção ...26
2.6.1 Equilíbrio de adsorção...28
2.6.2 Isotermas de Adsorção ...28
2.6.3 Calor de Adsorção...30
2.7 Ciclo Teórico de Refrigeração por Adsorção...32
2.8 Processos de Transferência de Calor e de Massa...34
2.8.1 Condução ...34
2.8.2 Convecção ...35
2.8.3 Evaporação...35
2.8.4 Radiação Térmica...36
2.9 Fundamentos da Irradiação Solar...37
2.9.1 Fluxo da Irradiação Solar Extraterrestre ...37
2.9.2 Instrumentos de Medição da Irradiação Solar...39
3 MODELAGEM MATEMÁTICA...43
3.1 Balanço de Massa e de Energia do Refrigerador ...43
3.2 Coeficiente de Desempenho do Refrigerador ...44
3.3 Modelo Aplicado da Adsorção...44
4 MATERIAIS E MÉTODOS ...46
4.1 Componentes do Refrigerador ...46
4.1.1 Adsorvedor Trapezoidal de Placa Plana ...47
4.1.2 Condensador...48
4.1.3 Evaporador ...48
4.1.4 Coletor Solar ...49
4.1.5 Tubulações e Acessórios ...50
4.1.6 Equipamentos Auxiliares ...51
4.1.7 Par Adsortivo...52
4.1.8 Fluido Térmico do Coletor Solar ...53
4.2 Sistema de Medição e Aquisição de Dados ...53
4.2.1 Coletor de Dados e Sensores...54
4.2.2 Variáveis Monitoradas...54
4.3 Funcionamento do Refrigerador ...55
4.3.1 Procedimentos Iniciais ...56
4.3.2 Procedimentos Operacionais...56
4.3.3 Dados Experimentais ...57
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ...59
5.1 Resultados Experimentais ...59
5.1.1 Circuito de Aquecimento...59
5.1.2 Circuito de Resfriamento ...60
5.2 Análise Numérica...61
6 CONCLUSÕES ...64
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...65
1 I TRODUÇÃO
O crescimento econômico e a autonomia em processos produtivos dos países em desenvolvimento dependem principalmente da capacidade de geração e distribuição de energia elétrica. Como os combustíveis fósseis não serão capazes de suprir toda a demanda futura de eletricidade, outros sistemas energéticos devem ser utilizados.
A refrigeração e o condicionamento de ar são áreas de aplicação da engenharia de significativa importância na questão energética. Segundo o Instituto Internacional de Refrigeração IIR ( , 2003), os sistemas de refrigeração são responsáveis por 15% do consumo mundial de energia elétrica. O desenvolvimento de alternativas tecnológicas aos sistemas convencionais de refrigeração poderá contribuir para minorar os impactos provocados pelo emprego destes sistemas, dentre estes os mais importantes são:
a) redução na demanda por eletricidade – as aplicações de refrigeração e condicionamento de ar demandam um alto consumo de eletricidade. Existem aplicações especiais, onde o consumo da eletricidade no funcionamento dos sistemas é ainda maior, por exemplo, em instalações de condicionamento de ar para salas limpas e ambientes controlados associados, que empregam ventiladores de insuflação e/ou retorno de ar, com motores de potência elevada, dimensionados para vencer altas perdas de cargas, devido à saturação de baterias de filtragem de ar, (classes de filtragem: filtros grossos, finos e absolutos). Além disso, a necessidade de um número maior de renovações de ar gera uma elevada carga térmica e, consequentemente, maior potência dos componentes da instalação, tais como: resfriadores de líquido, eletro0bombas e torres de resfriamento (PERAGALLO, s.d.);
b) redução na formação de passivo ambiental – os sistemas convencionais de refrigeração estão associados à problemática da destruição da camada de ozônio e do efeito estufa, devido ao emprego de gases refrigerantes CFC´s, HCFC´s e HFC. A utilização dos refrigerantes desenvolvidos para substituir os fluídos atualmente em uso, denominados (misturas), também
apresentam um alto poder de efeito estufa, (GWP),
Quando esses não são misturas azeotrópicas (misturas que se comportam com um único componente e têm ponto de ebulição comum), para possibilitar o balanceamento da mistura é necessário saber, com exatidão, a fração evaporada de cada componente. A legislação responsabiliza aos usuários ao recolhimento e reciclagem destas substâncias. Devido à dificuldade nos processos de reciclagem, à falta de empresas qualificadas e aos custos envolvidos, surge com isto um novo passivo ambiental (COLAÇO, 2008); c) redução do consumo de água tratada – as torres de resfriamento, utilizadas para
a condensação do fluído refrigerante, nos sistemas convencionais de refrigeração, têm grande parte da água (circuito aberto) de condensação perdido por evaporação e arraste. Em instalações de refrigeração para processos industriais, este consumo é bastante elevado e práticas de reuso de água são necessárias, face à escassez e aos altos insumos deste recurso (SANCHES e SANTOS, 2003).
Uma promissora alternativa aos sistemas convencionais de refrigeração são os sistemas térmicos de refrigeração por adsorção, pois possibilitam a utilização direta do calor com fonte de energia para refrigeração. Eles podem ser eficientes, promovendo um menor custo final da energia utilizada. Esta análise de custo é válida quando há disponibilidade de calor suplementar de algum processo ou quando se utiliza a energia solar.
O grande desafio no avanço da tecnologia de adsorção consiste em aprimorar este ciclo para se obter melhores coeficientes de desempenhos e, assim, torná0lo competitivo com os sistemas convencionais de refrigeração (maior desvantagem). As maiores vantagens destes equipamentos são: construções mais simplificadas, sem partes móveis, instalações simples, baixo custo de manutenção e não utilização de eletricidade, além de fornecerem energia residual para utilização em co0geração ou outra aplicação.
O alto nível de radiação solar no Brasil e o uso de uma fonte renovável de energia servem como justificativas para investimentos em pesquisa e desenvolvimento tecnológico em refrigeração solar térmica, principalmente porque o pico da demanda de refrigeração em geral corresponde à oferta de energia solar.
cirurgias ou ainda garantir condições ambientais adequadas para processos diversos em pequenas indústrias, proporcionando maior produtividade.
O objetivo desta dissertação é a validação experimental de um novo refrigerador térmico de adsorção com aquecimento indireto por energia solar. A escolha do par adsorbato/adsorvente, água como fluído refrigerante e a sílica gel como material adsorvente, utilizada no refrigerador, levou em consideração a temperatura disponível na fonte de energia (coletor solar de alto desempenho), e o emprego de um fluído de trabalho atóxico, com zero potencial de destruição da camada de ozônio e de contribuição para o aquecimento global; caracterizando este equipamento como ideal para aplicação em sistema de condicionamento de ar. Uma das inovações proposta no projeto consiste em realizar o aquecimento do leito adsortivo de forma indireta através da energia solar, além do desenvolvimento de uma nova geometria para o adsorvedor.
Os objetivos específicos deste trabalho são:
a) elaborar os desenhos técnicos do refrigerador – adsorvedor, condensador, evaporador, câmara fria, coletor solar e demais acessórios;
b) especificar tecnicamente os materiais – chapas, telas, tubos, válvulas de vácuo, válvulas de bloqueio, superfície seletiva, película, vidro temperado, sensores, coletor de dados, termopares, entre outros;
c) fabricar e montar os sistemas de refrigeração e sistema de aquisição de dados; d) realizar medições experimentais;
e) analisar os dados obtidos para validação do funcionamento do novo equipamento.
A concepção, a fabricação e a montagem do refrigerador, a implantação do sistema de aquisição de dados e as realizações experimentais foram feitas no Laboratório de Energia Solar e Gás Natural da Universidade Federal do Ceará, na cidade de Fortaleza (latitude 3º35´ S e longitude 38º45´ W).
Neste trabalho, uma análise numérica para determinação das variáveis do processo de adsorção (massa dessorvida e massa adsorvida) foi realizada para aproximar, a partir do trabalho de Chua . (2002), a concentração de água no material sólido (sílica gel) em função de faixas de temperatura e pressão, de forma a possibilitar a análise do desempenho do protótipo, nas condições de teste em campo. As análises foram realizadas utilizando a licença
anual do software SAS – .
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica apresenta as formas de utilização de energia solar em sistemas de refrigeração, os sistemas térmicos de refrigeração alimentados por diferentes fontes de calor, uma breve descrição dos ciclos de refrigeração por sorção (absorção e adsorção), experimentos realizados em sistemas de refrigeração por adsorção, os fundamentos da adsorção, o ciclo teórico de refrigeração por adsorção, os processos de transferência de calor e de massa e os fundamentos da irradiação solar.
2.1 Formas de Utilização de Energia Solar em Sistemas de Refrigeração
A energia para o acionamento dos equipamentos de refrigeração pode ser obtida através do calor, do trabalho mecânico ou da eletricidade. A forma de energia apropriada para cada ciclo depende do nível de temperatura disponível e da temperatura desejável dos sistemas, refrigerados e/ou condicionados. A energia solar fotovoltaica e a energia solar térmica podem ser utilizadas em sistemas de refrigeração, conforme apresentado na Figura 2.1.
Figura 2.1 0 Formas de utilização de energia solar em sistemas de refrigeração (adaptado de PRIDASAWAS e LUNDQVIST, 2003)
Energia Solar
Coletor Solar
Ciclo Rankine Ciclo Ejetor
Adsorção Absorção Cilco
Dessecante
Reação Química Ciclo Stirling
Célula Fotovoltaica Termo0
Elétrico
A descentralização dos sistemas de geração de energia, através da implantação de sistemas solares térmicos e fotovoltaicos, pode trazer vantagens não só econômicas (independência dos combustíveis fósseis), como também ambientais. Contudo, é preciso a formulação de leis de incentivos para criação de um mercado estável, capaz de promover a queda nos custos de investimentos, junto com o desenvolvimento tecnológico destes sistemas.
2.2 Sistemas Térmicos de Refrigeração Alimentados por Diferentes Fontes de Calor
Diferentes fontes térmicas, algumas vezes desperdiçadas em outros processos, podem ser utilizadas em sistemas de refrigeração, com expressivo ganho de eficiência energética (co0geração). A Figura 2.2 mostra um esquema de possíveis fontes.
Figura 2.2 0 Fontes de energia térmica e possíveis aplicações (adaptado de DORGAN ., 1995)
Equipamento de Refrigeração Reservatório Térmico
(Fonte Quente) Energia Solar Vapor de Turbinas a Gás e
Cogeração Gases de Exaustão Água Quente de Estações
de Tratamento Exaustão de Incineradores
Vapor ou Líquido Quente de Processos Industriais Vapor a Baixa Pressão da
Saída de Turbinas
Reservatório Térmico (Fonte Fria)
Sistema HVAC Resfriamento de Ar na
Entrada de Turbinas Condensação de Vapor de
Turbinas a Gás Reservatório de Água Fria
Residencial Solidificação de Fibras Resfriamento de Líquidos
Nos ciclos de refrigeração que utilizam energia térmica, a fonte de calor é empregada no acionamento do ciclo e, em alguns casos, a energia elétrica é utilizada apenas para acionamento de dispositivos secundários, tais como: bombas para deslocamento do fluido refrigerante, ventiladores, etc. Os sistemas de refrigeração alimentados por fonte de calor, as temperaturas necessárias da fonte quente e os coeficientes de desempenho dos processos de sorção (COPs), sem a inclusão da eficiência do sistema térmico da fonte quente, estão apresentados na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 0 Sistemas de refrigeração alimentados por fonte de calor (adaptado de PRIDASAWAS e LUDQVIST, 2003)
Sistema Tempera0
tura (ºC) COPciclo
Fluido de Trabalho Refrige0 ração Ar Con0 dicionado Absorção 80 a 190
0,6 a 0,8 (simples estágio)
≤1,3 (2 estágios)
NH3/H2O
H2O/LiCl
H2O/LiBr
SIM SIM
Adsorção 80 a 300 0,3 a 0,8
H2O/Zeólita
Metanol/Carvão Ativado
SIM Reação
Química 80 a 300 0,1 a 0,2 NH3/SrCl2 SIM
Rankine >120 0,3 a 0,5
Água, R114 Tolueno Fluídos Orgânicos
SIM
Dessecante 40 a 100 0,5 a 1,5 Água SIM
Ejetor 80 a 150 0,3 a 0,8 Água, Butano SIM
2.3 Sistema de Refrigeração por Absorção e Adsorção
aquecimento indireto, um fluido de trabalho é usado para transportar o calor da fonte até o gerador ou adsorvedor.
2.3.1 Ciclo de Refrigeração por Absorção
No ciclo de refrigeração por absorção, um regenerador e uma bomba de recirculação de uma solução absorvente desempenham as funções correspondentes às do compressor no sistema por compressão de vapor.
No funcionamento do refrigerador de absorção o refrigerante proveniente do evaporador, na forma de vapor, é conduzido ao absorvedor, onde é absorvido em um solvente líquido, relativamente não volátil na pressão do evaporador e a uma temperatura baixa. O calor do processo de absorção é liberado para as vizinhanças. À medida que ocorre a absorção, aumenta a concentração de fluido refrigerante no absorvedor, e a solução líquida é bombeada para o gerador (fonte de alta temperatura) que, ao ganhar calor, faz evaporar o fluido refrigerante (separação) contido no solvente. O vapor do refrigerante passa do gerador para o condensador, e o solvente, com baixa concentração de refrigerante, retorna ao absorvedor. Do condensador o fluido refrigerante na forma de vapor, transfere calor para a vizinhança, resultando em líquido à baixa pressão, retorna ao evaporador finalizando o ciclo. A Figura 2.3 mostra o ciclo básico de refrigeração por absorção.
Figura 2.3 0 Ciclo básico de refrigeração por absorção
O sistema de refrigeração por absorção mais utilizado opera com água como fluido refrigerante e uma solução de brometo de lítio como absorvente (BrLi e H2O). Este
+5ºC. Para temperaturas mais baixas, o sistema usual opera com amônia como fluído refrigerante e água como absorvente (H2O e NH3), adequado para instalações com
temperatura na ordem de 030ºC. O consumo elétrico de um sistema de absorção é cerca de 10% do consumo dos sistemas de compressão de vapor. Em substituição à bomba de líquido utilizada nos sistemas convencionais de refrigeração por absorção, Planten Munters, 1930 realizou uma modificação no ciclo básico de absorção com a introdução do hidrogênio no sistema, refrigeração de vapor com triplo fluido (BSSAM e MAEGAARD, 2004). A vantagem desta solução é a maior confiabilidade devido à ausência de partes móveis (retirada da bomba), menos manutenção e utilização de energia térmica.
2.3.2 Ciclo de Refrigeração por Adsorção
O equipamento de refrigeração por adsorção é formado por três componentes básicos: evaporador, condensador e adsorvedor. O ciclo por adsorção opera em regime intermitente e é caracterizado por duas fases: uma de resfriamento (adsorção) e outra de aquecimento (dessorção).
A fase de resfriamento ocorre com a evaporação parcial do adsorbato (fluido refrigerante) contido no evaporador, devido à remoção de calor da vizinhança. Ao ser evaporado, o adsorbato flui do evaporador para o adsorvedor e é adsorvido (fixado) nas cavidades porosas do material adsorvente, devido às forças intermoleculares formadas entre o adsorbato e o adsorvente (sólido poroso). Com a evaporação, o líquido que cedeu calor (resfriado) no evaporador pode ser utilizado em refrigeração e/ou condicionamento de ar.
Figura 2.4 0 Ciclo básico de refrigeração por adsorção
2.4 Experiências Realizadas com Sistemas de Refrigeração por Adsorção
Investigações dos fenômenos de adsorção entre as décadas de 70 e 90 foram atribuídas em grade parte à descoberta de diferentes materiais porosos e ao desenvolvimento de muitos novos processos inteligentes. Notadamente, um novo interesse foi dado à refrigeração, visto que o emprego da adsorção para a promoção do frio pode trazer grandes vantagens econômicas, sociais e ambientais. Assim uma apresentação destes sistemas desenvolvidos e dos materiais adsorventes testados são importantes para o conhecimento da evolução da tecnologia de adsorção aplicada à refrigeração.
2.4.1 Protótipos Experimentais
brometo de lítio e água em um sistema sob idênticas condições. O sistema recebia uma taxa de energia térmica de 2,11 x 107J/dia e produzia potência frigorífica de 9,49 x 106J/dia.
Miles e Shelton (1996) desenvolveram um sistema de refrigeração, utilizando o par adsortivo carvão ativado/amônia e uma fonte de energia de 230ºC, fornecido por um aquecedor a gás. Dois adsorvedores de tubo aletado foram dispostos em série com o aquecedor e entre eles foi instalada uma válvula que permitia que oadsorbato, ora entrasse por um adsorvedor, ora pelo outro. Os dois leitos funcionavam com recuperação de calor. Este método era eficiente quando existia uma diferença de temperatura no interior do leito adsortivo. O coeficiente de desempenho (COP) obtido nesse experimento foi de 0,42.
Saha . (2000) desenvolveram um refrigerador adsortivo de duplo estágio com quatro leitos não regenerativos dispostos em série. O equipamento possibilitava o uso de fontes térmicas na faixa de temperatura entre 50ºC e 70ºC, como a energia solar ou resíduos térmicos. O par adsortivo empregado no refrigerador foi a sílica gel e a água. A operação do equipamento era sequencial, pois quando um par de leito estiva adsorvendo, o outro estava desorvendo. Cada fase tinha duração de 420 segundos, com 20 segundos de intervalo de pré0 aquecimento entre eles. A vantagem principal do duplo estágio era a redução de 15% da temperatura. No experimento, para uma fonte quente a 55ºC e uma fonte fria a 30ºC, foi obtido o resfriamento de vazão mássica de 0,17kg/s de 14C para temperaturas de 6 a 10 ºC. O protótipo produziu 3,2kW de potência frigorífica com um COP de 0,36.
Tamainot0Telto e Critoph (2003) desenvolveram um sistema rotacional de condicionamento de ar por adsorção com e sem regeneração, utilizando o ar como fluído de trabalho. O sistema era composto de múltiplos módulos e cada módulo possuia um adsorvedor, uma seção adiabática, um evaporador e um condensador. A seção adiabática era constituída por um material inerte, politetrafluoretileno (PTFE), usado para reduzir a condução longitudinal. O par adsortivo utilizado no experimento foi o carvão ativado monolítico e a amônia. Dois outros módulos foram construídos com a integração dos módulos em um só. O conjunto foi recoberto com uma camada externa de alumínio, visando à melhoria na transferência de calor. Os módulos tornaram0se compactos possibilitando uma redução nos custos destes sistemas, de pequena capacidade, até 10kW, ao mesmo tempo em que dispensava o uso de válvulas de controle e reduziu a existência de grandes compartimentos pressurizados. Para uma fonte de ar quente a 100ºC, temperatura no condensador de 30ºC e temperatura no evaporador entre 05ºC e 20ºC, um dos sistemas, apresentou os melhores resultados, com potência frigorífica específica de 0,6kW/kg. Sem utilizar a recuperação de calor, o COP obtido foi de 0,2, e subiu para 0,5 com a recuperação de calor.
Restucia e (2004) utilizaram, em um sistema de refrigeração, o adsorvente SWS01L ( ). Este adsorvente consiste de uma sílica gel impregnada com CaCl2, com alta capacidade de adsorção em água, superior a 0,7kg de água por kg de
adsorvente e alta capacidade de armazenar calor, mais de 2.000kJ/kg. As curvas de equilíbrio do SWS01L mostravam uma combinação da adsorção heterogênea, reações químicas com formação de cristais de sais e líquidos adsortivos. O comportamento deste material foi similar ao de uma solução aquosa de CaCl2. O protótipo consistia em um adsorvedor feito de finos
tubos de aço inoxidável inseridos no material adsorvente, e um evaporador interligado ao condensador por meio de válvulas a vácuo. Os resultados experimentais obtidos foram um COP de 0,6 com a temperatura do condensador de 35ºC. No entanto, o COP foi reduzido para 0,35 quando a temperatura do condensador estava em 40ºC. Para essas condições, foi mantida a temperatura de evaporação em 10ºC e da fonte quente entre 85 e 95ºC.
Liu (2005) desenvolveram um sistema de refrigeração utilizando o par adsortivo sílica gel/água. Neste experimento, foram retiradas as válvulas do ciclo do fluído refrigerante visando impedir as infiltrações e garantir uma maior confiabilidade ao sistema. A temperatura da fonte quente utilizada para regeneração do leito adsortivo variou entre 75ºC e 90ºC. O sistema era constituído por duas máquinas térmicas, com operação em contracorrente, com evaporador e condensador independentes. Foram utilizados 52,8kg de sílica gel nos dois leitos. Dois protótipos foram construídos para este experimento. O primeiro protótipo operou sob o principio de recuperação de calor e de massa, com as seguintes condições: 7ºC no evaporador, 28ºC na fonte fria e 85ºC na fonte quente. Nestas condições, atingiu uma potência frigorífica de 3,56 kW e um COP de 0,26. O segundo protótipo operou com modificações no condensador e no adsorvedor. A modificação feita no condensador tinha como objetivo prevenir a indesejável evaporação do refrigerante, observada no primeiro protótipo. No adsorvedor empregou0se o arranjo de tubo0aletado, resultando em melhor transferência de calor e de massa. A realização de testes sob idênticas condições desse equipamento era pouco provável de acontecer. No entanto o segundo protótipo se apresentou mais eficiente, com um COP 28% superior. Para uma temperatura no evaporador de 13ºC, mantendo a temperatura da fonte quente em 80ºC e da água fria em 25ºC, o maior COP medido foi de 0,5. Mantendo os valores de temperatura das fontes quente e fria, para uma temperatura no evaporador de 10ºC, o COP foi reduzido para 0,42.
2.4.2 Materiais Adsorventes de Protótipos Experimentais
Pino (1996) realizaram estudos sobre materiais compósitos tendo como material base a zeólita 4A, considerado um dos materiais mais atrativos à água. Devido à baixa condutividade térmica do adsorvedor, foram usados aditivos como o SiC, Si3N4, grafita,
aglutinantes como o politetrafluoretileno (PTFE) e o Al(OH)3 para contornar este problema.
As análises mostraram que a adição de PTFE mantinha ou diminuía o coeficiente global de transferência de calor e que os aditivos reduziam de 90% a 80% a quantidade de material adsorvente no material compósito.
energia termoquímica e 200 ciclos/ano para ciclo aberto de bomba de calor. A zeólita 13X apresentou estabilidade constante de mais de 400 ciclos/ano em todas as amostras testadas.
Restuccia . (1999) realizaram estudos de novos materiais adsorventes denominados de (SWS). Estes materiais foram capazes de operar em ciclos de refrigeração e bombas de calor com fontes térmicas de baixa ou média temperatura. O material SWS consiste de uma matriz porosa e uma substância higroscópica impregnada no interior dos poros da matriz. Os tipos de adsorventes SWS foram: Cloreto de cálcio SWS em mesoporos, sílica gel, brometo de lítio em alumina SWS02A, sílica SWS02L em mesoporos e cloreto de cálcio SWS01S em microporos.
Lijun . (1999) realizaram estudos sobre a transferência de calor para um adsorvedor em uma bomba de calor. Foram utilizados um condutor elétrico de polianilina para aumentar a condutividade térmica do leito adsorvedor, e um condutor térmico, composto de polianilina e adsorvente (zeólita), pelo processo de oxidação química e polimerização da polianilina na superfície das partículas adsorventes. Os resultados mostraram que a condutividade elétrica da polianilina aumentou aproximadamente quatro vezes a condutividade térmica do leito adsorvedor, porém a capacidade de adsorção diminuiu de maneira indesejada.
Vasiliev . (2001) utilizaram adsorvedores que continham filtros de carvão ativado saturado com diferentes sais (CaCl2, BaCl2, NiCl2) para adsorção com amônia. Os
resultados para três tipos de leito foram: leito adsorvedor (fibra de carvão ativado) com capacidade de 0,35 kg de gás adsorvido por kg de adsorvente com duração do ciclo de 12 minutos, COP de 0,42; leito adsorvedor com CaCl2, com capacidade de 0,6 kg de gás
adsorvido por kg de adsorvente, com duração do ciclo em torno de 25 a 30 minutos e coeficiente de desempenho de 0,43; e leito adsorvedor com BaCl2 e NiCl2, resultando um
coeficiente de desempenho de 0,44.
2.5 Fundamentos da Adsorção
moléculas, átomos, ou íons do gás ou líquido. Isso resulta em uma maior concentração do gás ou líquido nas proximidades da superfície sólida. Dependendo da natureza das forças envolvidas, o processo de adsorção pode ser físico ou químico.
Adsorção física (fisissorção): é causada principalmente por forças de Van der Waals e por intermédio de forças eletrostáticas de indução e de dispersão entre as moléculas e os átomos que compõem a superfície do adsorvente.
Adsorção química (quimissorção): é formada através de ligações covalentes entre átomos ou moléculas da superfície do sólido e os átomos ou moléculas adsorvidas; e troca iônica, em que o sólido cede íons ao fluido, para cada íon que adsorve.
Algumas características gerais que distingue a adsorção física da adsorção química estão apresentadas na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 0 Adsorção física e quimissorção (adaptado de KARGE e WEITKAMP, 2008)
Adsorção física Quimissorção
Baixo calor de adsorção
(1,0 a 1,5 vezes o calor latente de evaporação)
Alto calor de adsorção
(superior a 1,5 vezes o calor latente de evaporação)
Monocamada ou multicamada Apenas monocamada Não há dissociação das espécies adsorvidas Pode envolver dissociação Significativa apenas em temperaturas
relativamente baixas
Possível através de uma vasta gama de temperaturas
Rápido e regenerável Ativado, pode ser lenta e não regenerável Não há transferência de elétrons, mas é
possível ocorrer a polarização do adsorbato
Há transferência de elétrons com a formação de vínculo entre o adsorbato e a superfície A diferença mais importante entre os dois tipos de adsorção é a magnitude da entalpia de adsorção. Na adsorção física a entalpia de adsorção é da mesma ordem do calor de liquefação e não costuma ultrapassar 10 a 20 kJ por mol, enquanto que, na quimissorção a mudança de entalpia é geralmente da ordem dos 40 a 400 kJ / mol (BANSAL e GOYAL, 2005).
adsortiva à temperatura ambiente e às pressões relativamente baixas, alta capacidade dessortiva à alta temperatura e pressão, boa condutividade térmica, baixo calor específico, e ser quimicamente estável. Os adsorbatos devem possuir uma alta condutividade térmica, boa estabilidade térmica e baixa viscosidade.
Um sistema de adsorção em conjunto com coletores solares deve obedecer ainda critérios mais seletivos na escolha dos materiais adsorventes, e os principais são: regeneração com calor a uma temperatura relativamente baixa, pequeno tempo de regeneração, boa estabilidade térmica e alta condutividade térmica.
2.5.1 Caracterização dos Materiais Adsorventes
A natureza da superfície do adsorvente é um fator determinante na adsorção e o material adsorvente deve ter uma área superficial específica elevada (até 1.500 m2/g), o que corresponde a uma estrutura altamente porosa, sendo levado em conta o tamanho e a distribuição dos poros, a natureza da superfície sólida, e a afinidade seletiva para determinados componentes de massa fluída.
Os parâmetros normalmente utilizados para classificação dos materiais adsorventes são: tamanho do poro, afinidade com a água e composição química.
a) classificação segundo o tamanho do poro: o tamanho do poro é definido durante a síntese do material e esses poros estão classificados como microporos, mesoporos e macroporos. A classificação dos poros, como
recomendado pela International !
(IUPAC), é arbitrária e foi desenvolvida baseada na adsorção do nitrogênio, no ponto normal de ebulição (SING , 1985).
Microporos – Apresentam cavidades menores do que 20 Å e potenciais super0impostos nas paredes, que é a força de atração causada devido ao potencial criado entre a diferença de eletronegatividade dos átomos que formam o poro;
Mesoporos – Apresentam cavidades entre 20 e 500 Å;
b) classificação quanto à afinidade com a água:
Hidrofílicos – Apresentam afinidade com partículas com alta eletronegatividade e partículas polares; são exemplos de materiais hidrofílicos a zeólita 3A, 4A, 5A, 13X, mordenita e chabazita;
Hidrofóbicos – Apresentam afinidade com partículas que possuem baixa eletronegatividade e partículas não polares; são exemplos de materiais hidrofóbicos o silicalite (hidrocarboneto) e o carvão ativado.
c) classificação segundo a composição química:
Aluminossilicato – É considerado um zeólita quando tem mais de um íon alumínio por célula unitária do material;
Silicato: Quando o íon de alumínio não está presente em todas as células unitárias do material, o alumínio é considerado dopagem;
Metalossilicato zeolítico – Metais representativos com número de oxidação III ou IV estão incorporados à estrutura do silicato e a concentração deste metal é maior do que um íon por célula unitária.
2.5.2 Tipos de Materiais Adsorventes
A adsorção é de grande importância tecnológica. Sendo assim, alguns adsorventes são utilizados em larga escala como dessecantes catalisadores, outros para a separação de gases, a purificação de líquidos, ou para controle poluição, e proteção respiratória. Além disso, fenômenos de adsorção desempenham um papel importante em muitas reações do estado sólido e de mecanismos biológicos (ROUQUEROL e SING, 1999).
Os materiais adsorventes mais utilizados industrialmente são a zeólita, a sílica gel, a alumina ativada, e o carvão ativado.
Zeólitas – São cristais porosos de silicatos de alumínio. A forma operacional consiste em uma estrutura de (SiO4)02 e (AlO4)02 em vários arranjos regulares. A razão entre
entre 8,0 e 10,0. As zeólitas de pequeno porte, tipo A, possuem tamanho de abertura de poro em torno de 4,2Å, como a chabazita, a erionita, e as de grande porte, tipo X e Y, com tamanho de abertura de poro entre 7,0 e 7,4Å, como a modernita e a pentasil zeólita.
Sílica gel (SiO2+nH2O) – É a forma parcialmente desidratada de um ácido de
silício coloidal polimérico, com porcentagem de água (grupos de hidróxidos) correspondente a 5% em massa. A sílica gel é formada por cadeias e redes de SiO4 ligadas entre si, as quais
formam partículas com diâmetro de poros entre 20 e 200 Å (mesoporos). A presença de grupos hidróxidos impõe um grau de polaridade para a superfície, que logo adsorve moléculas como as de H2O (hidrofílico), álcoois, fenóis, aminos e hidrocarbonetos insaturados. Possui
alta seletividade para aromáticos em relação a naftênicos e parafínicos.
Alumina ativada – Material com forma porosa e grande área de óxido de alumínio preparado diretamente da bauxita (minério de alumínio) ou da alumina mono hidratada pela desidratação e recristalização em temperatura elevada. É um adsorvente hidrofílico, utilizado em processos de sorção de fluoretos, secagem e separação.
Carvão ativado – Material normalmente originário da decomposição de compostos de carbono, seguido pela ativação com vapor ou dióxido de carbono em temperatura elevada (100 a 700ºC). Podem ser preparadas estruturas com grande porosidade, elevada área superficial, e grande capacidade adsortiva. Apesar de apresentar seletividade muito pequena para adsorção de moléculas de diferentes tamanhos, em condições especiais de preparo, pode se comportar como peneira molecular, pois o carvão ativado possui a habilidade de modificar o tamanho do poro efetivo, ajustando0se às condições de processo.
SWS ( ) – A impregnação de sal inorgânico em matrizes porosas é uma técnica utilizada para melhorar a capacidade de sorção dos adsorventes, classificados como solventes seletivos para água SWS. A matriz serve de suporte para o sal e facilita na transferência de calor e massa pela formação de compósitos na forma de grãos, hidratos (estrutura consolidadas). A classificação dos SWS está apresentadana Tabela 2.3.
Tabela 2.3 0 Classificação dos SWSs conforme a composição de suas fases (adaptado de RESTUCCIA et al. 1999 ).
Acrônimo Matriz Porosa Sal Inorgânico
SWS01S Sílica microporosa CaCl2
SWS01L Sílica mesoporosa CaCl2
SWS02L Sílica mesoporosa LiBr
SWS01A Alumina CaCl2
SWS02A Alumina LiBr
2.6 Teorias Básicas de Adsorção
A complexidade das superfícies sólidas e a caracterização exata das interações com as moléculas adsorvidas limitam o entendimento do fenômeno de adsorção, no entanto as teorias foram desenvolvidas a partir da descrição termodinâmica para o fenômeno no equilíbrio de fases, análogo em muitos aspectos à descrição do equilíbrio líquido0vapor (ELV), aplicável igualmente à fissisorção e à quimissorção.
A abordagem termodinâmica da adsorção foi formulada por Gibbs (1928). O problema encontrado no equilíbrio termodinâmico da adsorção é que a energia de flutuação do sólido adsorvente influencia as propriedades do adsorbato na fase gasosa adjacentes à superfície adsorvente, e este efeito é rapidamente reduzido com a extensão da energia de flutuação. Gibbs idealizou uma aproximação que contorna este problema, considerando uma pseudo0superfície, tratada como uma fase bidimensional, que corresponde à diferença entre as propriedades reais e as propriedades inalteradas, onde as propriedades inalteradas são aquelas em que as propriedades da fase gasosa não são afetadas, até a superfície do sólido adsorvente.
Na superfície ideal, a energia de flutuação sobre a superfície é periódica e a magnitude dessa flutuação que age sobre os sítios de adsorção é maior do que a energia térmica da molécula, , como ilustrado na Figura 2.5.
A teoria mais consistente para o fenômeno de adsorção em uma superfície plana foi desenvolvida por Langmuir (1918). Essa teoria permite compreender a adsorção na superfície em monocamada, sobre uma superfície ideal. As premissas do modelo de Langmuir são:
A superfície é energeticamente homogênea, ou seja, a energia de adsorção é constante em todos os sítios,
A energia de adsorção não muda com o progresso da adsorção na mesma camada;
Não há interação entre as moléculas adsorvidas;
A adsorção na superfície está localizada, o que implica na adsorção definitiva de átomos e moléculas em sítios localizados. Cada sítio pode acomodar somente uma molécula ou átomo;
A taxa de adsorção é igual à taxa de dessorção da superfície.
A teoria desenvolvida por Brunauer . (1938), para uma superfície plana (sem curvatura), é aplicada ao processo de adsorção em múltiplas camadas. Esta teoria faz uso de alguns pressupostos da teoria de Langmuir, (superfície energeticamente homogênea e sem iteração entre as moléculas adsorvidas). No entanto, quando a adsorção ocorre em multicamadas, a adsorção na superfície adsorvente e acima das moléculas adsorvidas é baseada em diferentes forças atrativas, e são equivalentes à condensação de moléculas de adsorbato. A teoria BET (Brunauer, Emmett e Teller) para a adsorção em multicamadas, inclui as seguintes considerações:
A taxa de adsorção, em qualquer camada, é igual à taxa de dessorção a partir dessa camada. A taxa de adsorção sobre a superfície livre na primeira camada e a dessorção desta camada é igual para todas as outras.
O adsorbato pode adsorver uma segunda molécula em cima da primeira molécula, liberando uma quantidade de calor que é igual ao calor deliquefação (condensação), e a essa segunda molécula uma terceira molécula pode ser adsorvida, e assim sucessivamente.
Figura 2.6 0 Teoria BET para adsorção em multicamadas (adaptado de DUONG, 1998) Na adsorção, as moléculas de adsorbato bombardeiam a superfície adsorvente em um ritmo impressionante, com enormes colisões entre moléculas de gás e a superfície. Uma fração de moléculas presentes na superfície condensa e é detida pela força da superfície até que essas moléculas evaporem novamente. Quando uma molécula atinge uma superfície já ocupada (adsorvida), irá evaporar muito rapidamente.
2.6.1 Equilíbrio de adsorção
Em aplicações práticas, a capacidade máxima do adsorvente em geral não é plenamente alcançada devido às dificuldades na tranferência de massa envolvidas no processo real (contato fluido0sólido). Assim, o equilíbrio de adsorção é a informação mais importante no processo, essencial para a compreensão da capacidade de adsorção em uma superfície ideal.
No equilíbrio de adsorção, estudos são conduzidos para determinar o número de espécies adsorvidas e para determinar como a adsorção seletiva ocorre quando dois ou mais componentes adsorbatos coexistem. Assim quando um único componente é adsorvido na superfície sólida, a adsorção é monocomponente e quando há mais de uma espécie a adsorver, a adsorção é de multicomponentes.
2.6.2 Isotermas de Adsorção
quantidade adsorvida aumenta com a concentração do adsorbato, e a relação entre a quantidade adsorvida e a concentração é conhecida como isoterma de adsorção (a concentração e a razão entre a massa de adsorbato e a massa de adsorvente).
As isotermas de adsorção podem ter muitas formas diferentes, dependendo do tipo de adsorvente, tipo de adsorbato e das interações intramoleculares entre o gás e a superfície. A primeira tentativa sistemática de interpretar isotermas de adsorção de equilíbrio gás0sólido foi introduzida por Brunauer, Deming, Deming e Teller, (BDDT) em 1940. Esses autores classificaram cinco tipos diferentes de isotermas. As cinco isotermas BDDT e outra adicional introduzida posteriormente por Sing, formam o padrão adotado pela
! (IUPAC). Na Figura 2.7 estão apresentados os seis tipos de isotermas IUPAC.
Figura 2.7 0 Classificação de isotermas de adsorção segundo a IUPAC (adaptado de SING, 1984)
Isoterma do tipo I: frequentemente é chamada de isoterma de Langmuir, corresponde à adsorção em monocamada. No caso da adsorção física, este tipo indica a presença de microporos;
Isoterma do tipo II: a teoria de Brunauer, Emmentt e Teller (BET) foi desenvolvida para este tipo de adsorção (em multicamadas), sugerindo a presença de superfícies não0porosas ou macroporosas.
Isoterma do tipo III: este tipo de isoterma origina0se de superfícies não0porosas ou macroporosas com fraca interação entre as moléculas e o adsorvente, com calores de adsorção inferiores ao calor de liquefação do adsorbato.
Isoterma do tipo V: este tipo de isoterma é próxima do tipo IV, porém, com interações muito fracas entre o adsorvente e o adsorbato.
Isoterma do tipo VI: ocorre normalmente em adsorventes com superfícies de porosidade não uniforme. Neste tipo de isoterma a adsorção ocorre em multicamadas, e a altura semi0assintótica corresponde à capacidade máxima de adsorção para cada camada.
2.6.3 Calor de Adsorção
O calor de adsorção dá uma indicação da intensidade das forças de união das moléculas na superfície adsorvente, e serve também para distinguir entre a adsorção física, que tem como características baixo calor de adsorção, ou química, que apresentam alto calor de adsorção.
O calor de adsorção diminui com a cobertura superficial (formação de multicamadas) onde as forças dominantes são as que se formam entre as moléculas de adsorbato. Isto ocorre pelo fato dos primeiros sítios ocupados serem aqueles que atraem as moléculas de adsorbato com maior intensidade e liberam mais energia. Em processos de adsorção física, o calor de adsorção é maior do que o calor de evaporação e aproximadamente igual ao calor de sublimação.
São encontrados na literatura diferentes abordagens sobre calor de adsorção, no entanto de uma maneira geral, o calor de adsorção pode ser definido como sendo a energia do adsorbato na fase gás menos a energia na fase adsorvida, resultando assim, em valores positivos. O calor de adsorção pode ser obtido através da equação de Clapeyron, técnicas cromatográficas ou calorimétricas.
2.6.3.1 Calor Isostérico de Adsorção
O calor isostérico de adsorção, "(, é definido como a diferença entre as entalpias molares na fase gás e fase adsorvida residual ( * − ,,.), que é expresso, considerando o volume do adsorbato desprezível com relação a uma fase gasosa ideal, pela equação de Clapeyron para adsorção,
"( = − 12 ln 1⁄ 72 ln
89 (2.1)
Os calores isostéricos de adsorção podem ser obtidos pela diferenciação de isotermas com relação à temperatura em coberturas superficiais constantes. O método termodinâmico é extensivamente utilizado, no entanto, devido à natureza inexata da diferenciação numérica, pequenos erros inerentes às isotermas provocam grandes erros na determinação do calor isostérico.
2.6.3.2 Calor Diferencial de Adsorção
O calor diferencial de adsorção é definido como a diferença entre as energias internas molares na fase gás e fase adsorvida residual ( *− ,,.), o calor diferencial de adsorção, =, é normalmente obtido a partir da sua relação com o calor isostérico (baixas pressões), definido por,
= = "(− (2.2)
O calor isostérico de adsorção é maior do que o calor diferencial de adsorção, uma vez que o calor isostérico requer trabalho equivalente à > = ? .
2.6.3.3 Calor lntegral de Adsorção
O calor integral de adsorção é definido como sendo a diferença entre as energias internas molares da fase gás e adsorvidas( * − ,), sendo obtido pela relação,
@8( = 1? A =
89
B C?
, (2.3)
2.6.3.4 Calor de Equilíbrio de Adsorção
O calor de equilíbrio de adsorção é definido como sendo a diferença entre as entalpias molares na fase gás e fase adsorvida( *− ,), expressa por,
EF = − G12 ln 1⁄ 72 ln
8 (2.4)
2.7 Ciclo Teórico de Refrigeração por Adsorção
Figura 2.8 0 Ciclo de adsorção representado no diagrama de Clapeyron
a) aquecimento isostérico: o ciclo pode ser iniciado no ponto onde o adsorvente está à baixa temperatura , e a baixa pressão E ( "). A quantidade de massa adsorvida , é função da temperatura , inicial e da pressão inicial do adsorvedor E. O adsorvente é aquecido ( " #), isostericamente, isto é, com massa constante. A pressão aumenta de E para !, que é a pressão de dessorção;
b) aquecimento a pressão constante – dessorção: o adsorvedor está conectado ao condensador e o aquecimento progressivo do adsorvente ( # $) causa a dessorção de uma quantidade de adsorbato, na forma de vapor. Esse processo ocorre à pressão constante. Quando o adsorbato atinge sua temperatura máxima, =, a dessorção cessa e o valor da massa de adsorbato dessorvida é =, que depende de = e !. A quantidade de massa de adsorbato dessorvida é , – =. Durante esse período de aquecimento, a energia térmica fornecida para elevar a temperatura de , a = é transformada em energia latente de dessorção e em energia sensível de aquecimento para aumentar a temperatura do adsorvente, necessária para produzir a dessorção;
c) Resfriamento isostérico: no resfriamento isostérico, o adsorvedor é resfriado com massa de adsorvente constante. A temperatura e a pressão no adsorvedor diminuem para I e E, respectivamente;
adsorvente continua a ser resfriado ( % "). Assim, o ciclo é completado, retornando às condições iniciais.
2.8 Processos de Transferência de Calor e de Massa
A descrição dos processos clássicos de transferência de calor e de massa (condução, convecção e radiação) pode ser encontrada em muitos livros sobre o assunto, entre os quais Rohsenow (1985) e Incropera . (1996). No sistema de refrigeração em ciclo de adsorção, esses processos ocorrem simultaneamente e isoladamente nos componentes dos refrigeradores.
2.8.1 Condução
Na condução, a propagação de calor no meio ocorre através da difusão molecular. O calor é transferido pelo choque progressivo entre moléculas e temperaturas mais elevadas são associadas a maiores oscilações moleculares. O valor da transferência de calor por condução unidimensional é obtido através da equação de Fourier, na qual a taxa de transferência de calorna direção x é proporcional ao produto entre o gradiente de temperatura, ∂T/∂X, a área !J8= perpendicular ao fluxo e , que é a condutividade térmica do material,
!J8= = − !J8=∂X ∂T (2.5)
2.8.2 Convecção
Na convecção, a transferência de calor ocorre pela difusão molecular na interface sólido0fluido (processo difusivo) e pelo deslocamento macroscópico das moléculas em movimento advectivo do fluido (processo advectivo). A transferência de calor por convecção é expressa por,
!J8O= ℎ!J8O !J8O( "− P) (2.6)
na qual ℎ!J8O é o coeficiente de transferência de calor por convecção, !J8O é a área de convecção, " é a temperatura da superfície e P é a temperatura do meio fluido, afastado da camada limite. A transferência de calor por convecção pode ocorrer com mudança de fase do fluido.
2.8.3 Evaporação
No processo de evaporação, ocorre a mudança da fase líquida para a fase gasosa, e a quantidade de energia do processo é expressa por,
EO, = REℎR* (2.7)
na qual EO, é o calor de evaporação, RE é a massa de fluido evaporado e ℎR* é o calor latente de evaporação.
No processo de sublimação, ocorre a passagem da fase sólida para a fase gasosa, e a quantidade de energia é expressa por,
"T = R"ℎRO (2.8)
2.8.4 Radiação Térmica
A radiação térmica consiste na propagação do calor em forma de ondas eletromagnéticas através de um meio material ou no vácuo. O mecanismo de emissão é resultante da energia liberada devido às oscilações ou transições dos elétrons constituintes da matéria. Toda matéria com temperatura superior a zero Kelvin emite radiação. O limite máximo de emissão de energia emitida por um corpo é expresso por,
= % VI (2.9)
na qual%é a constante de Stefan0Boltzmann, " é a temperatura da superfície do corpo, e é a taxa de energia emitida.
Para superfícies reais a taxa de energia emitida é expressa por,
= % VI (2.10)
na qual é a emissividade da superfície. Um corpo com propriedades especiais, chamado de corpo cinzento, possui o valor da emissividade, , igual ao coeficiente de absortividade, α. Um corpo com emissividade igual a 1 é chamado de corpo negro.
A energia líquida transferida por radiação corresponde à diferença entre a energia emitida e a energia absorvida. Para um corpo cinzento exposto ao ambiente, a taxa líquida de transferência de calor por radiação é dada por,
= % ( VI− PI) (2.11)
2.9 Fundamentos da Irradiação Solar
Esta seção apresenta de maneira resumida os fundamentos da irradiação solar, considerando os efeitos do fluxo radiativo na camada atmosférica e as instrumentações necessárias para a obtenção das medidas de energia solar incidente na superfície terrestre, utilizada no presente trabalho.
2.9.1 Fluxo da Irradiação Solar Extraterrestre
O fluxo total da irradiação solar extraterrestre, medido fora da atmosfera terrestre e integrado sob todo o espectro solar, é denominado de constate solar, VY. Esse fluxo de energia solar é medido por unidade de tempo e de área normal à irradiação, para uma distância média entre a Terra e o Sol. ! (WRC) estabeleceu o valor de 1.367W/m2 com erro estimado ± 1,0% para o fluxo da irradiação solar (DUFFIE e BECKMAN, 1980).
O fluxo da irradiação solar desde o topo da atmosfera até a superfície terrestre é alterado consideravelmente, devido à presença de componentes constituintes da atmosfera, que provocam os efeitos de absorção e espalhamento. Em função destes efeitos, a irradiação sobre a superfície terrestre se divide em duas componentes, a saber:
Radiação direta recebida do sol, sem mudança de direção;
Radiação difusa, que corresponde à parcela de radiação recebida do sol, com alterações ocasionadas pelos efeitos absorção e espalhamento.
Figura 2.9 0 Distribuição da irradiação solar direta, difusa e absorvida (adaptado de SEN, 2007)
Além dos efeitos típicos de absorção e espalhamento, o efeito da nebulosidade sobre o fluxo solar na atmosfera é de particular importância porque pode reduzir a irradiação sobre a terra em até 80 a 90%.
Outro efeito que ocasiona alterações no fluxo solar extraterrestre é a variação da distância entre o Sol e a Terra, e o valor estimado desta variação é de ± 3%. Devido aos movimentos de translação e rotação da Terra e à inclinação do eixo dessa rotação, um plano sobre a superfície terrestre recebe os raios solares com ângulos de incidência diferentes, em função da hora do dia e da época do ano. A Figura 2.10 mostra o movimento da terra identificando as posições relativas às mudanças de estações segundo as declinações para o hemisfério Sul.
2.9.2 Instrumentos de Medição da Irradiação Solar
As medições das condições solarimétricas são realizadas por instrumentos que medem a taxa de radiação incidente por unidade de área da superfície, integrada sob os diversos comprimentos de onda, com limites de precisão segundo a classificação preestabelecida pela Organização Meteorológica Mundial (OMM). Os instrumentos de uso mais frequentes são o piranômetro e o piroheliômetro.
Piranômetro: instrumento que mede a irradiação global (direta e difusa) cujo sensor é uma pilha termoelétrica, constituída por termopares em série, que gera uma tensão elétrica proporcional à diferença de temperatura entre duas superfícies pintadas de preto e branco. A tensão gerada correspondente ao nível de radiação incidente. A Figura 2.11 mostra um piranômetro de precisão.
Figura 2.11 0 Piranômetro de radiação global
Piroheliômetro: instrumento utilizado para medir radiação direta. Permite apenas a “visualização” da região vizinha, denominada circunsolar, com ângulo de aceitação de 6º. O instrumento segue o movimento aparente do Sol, que é constantemente focalizado na região do sensor. A Figura 2.12 mostra um piroheliômetro de precisão.
No experimento, foram utilizados um piranômetro e um piroheliômetro de precisão para medição da radiação global e radiação direta, respectivamente.
2.9.3 Radiação em Superfícies Inclinadas
A radiação solar incidente em uma superfície (coletor solar plano) pode ser determinada a partir do modelo isotrópico difuso proposto por Liu e Jordan em 1963 (DUFFIE e BECKMAN, 1980), que inclui três componentes de radiação na superfície inclinada: a radiação solar direta, a difusa isotrópica e a radiação solar refletida no solo. A taxa de radiação incidente em uma superfície inclinada é dada por,
Z = + =\1 + ]^2 _ + `*\1 − ]^2 _ (2.12)
na qual Z é a taxa da radiação total, é o fator geométrico do coletor, é a taxa da radiação direta, = é a taxa de radiação difusa e `* reflectância do solo, ((1+cosβ)/2) e ((10 cosβ)/2) são fatores de vista do coletor para o céu e para o solo, respectivamente. Os ângulos de incidência solar em uma superfície inclinada estão apresentados na Figura 2.13.
2.9.4 Equações de Balanço de Energia no Coletor Plano
O desempenho de um coletor solar térmico é geralmente expresso por uma curva de eficiência, determinada por diversas variáveis conforme apresentado a seguir.
A taxa de energia útil T,"Ja, no coletor, por unidade de área ! é igual à diferença entre a taxa de radiação solar incidente e as perdas óticas, ou seja,
T,"Ja = !b − c( − P)d (2.13)
na qual c é o coeficiente global de perdas do coletor, é a temperatura média da placa absorvedora e Pé a temperatura ambiente.
O valor da taxa de radiação solar , absorvida no coletor é dado por,
= (& ) + =(& )=\1 + ]^2 _ + `*e + =f(& )*g(1 − ]^ )2 h (2.14)
na qual&é a transmitância é absorbância e os subscritosi, C j k significam direta, difusa e solo, respectivamente.
O fator de eficiência do tubo aletado, com perfil retangular é dado por,
= l?ℎm ( − ) 2( − ) 2⁄ ⁄ n (2.15)
na qual é o espaçamento entre os tubos, é o diâmetro dos tubos aletados, como ilustrado na Figura 2.14.
O fator de eficiência do coletor depende da eficiência da aleta é dado por,
´ = 1⁄ c
1qrmst(uvs)wnp +Yp
x+
p ysz{|z7
(2.16)
na qual é a condutância da junção, @ é o diâmetro interno do tubo eℎR@ é o coeficiente de transferência de calor dentro do tubo.
O fator de fluxo do coletor é dado por,
" =
! c ´~1 − j•€ g−
! c ´h• (2.17)
O fator de remoção de calor do coletor (relaciona o ganho real e o ganho se todo o coletor estivesse na temperatura de entrada do fluido) é dado por,
= ´ " (2.18)
Aequação de eficiência do coletor, também conhecida como equação de Hottel0 Whiller (1955), na qual Z é a irradiância no plano inclinado é expressa por,
$ = & − cg R,@− P
3 MODELAGEM MATEMÁTICA
Este capítulo apresenta as equações de massa e de energia do refrigerador e as equações para determinação do coeficiente de desempenho do refrigerador.
3.1 Balanço de Massa e de Energia do Refrigerador
As equações de balanço de massa e de energia nos componentes do refrigerador foram utilizadas para determinar o coeficiente de desempenho.
A taxa de energia absorvida pelo coletor plano, que é transferida para o aquecimento do adsorvedor, é dada por,
T,"Ja = !m − ce R,@− Pf (3.1)
na qual é o fator de remoção de calor do coletor, ! é a área de coletor, é a taxa da radiação solar absorvida, c é o coeficiente de perdas de calor no coletor (laterais, superiores e inferiores), R,@ é a temperatura do fluido na entrada do coletor, e P é a temperatura ambiente.
A energia solar transferida para o adsorvedor ao longo de um dia é dada por,
T,!Ja = $ !A C (3.2)
na qual foram desprezadas as perdas de calor para o ambiente e pela tubulação de ligação do coletor ao adsorvedor.
O efeito da refrigeração é quantificado pelo resfriamento produzido no evaporador. Neste sistema, uma massa de água é resfriada em cada ciclo e é dada por, T,E,
na qual ,,E é a massa de água armazenada no evaporador, ,, é o calor específico da água e
∆ é a diferença de temperatura na água entre o início e o final do resfriamento.
Além do resfriamento da água, ocorre também o resfriamento das paredes metálicas (massa de aço inox). O resfriamento total do evaporador é, então,
(,E = ,,E ,,∆ + ,E , ∆ (3.4)
na qual ,Eé a massa metálica do evaporador e , é o calor específico do metal.
3.2 Coeficiente de Desempenho do Refrigerador
O coeficiente de desempenho, referente somente a energia útil do refrigerador, é dado por,
= T,E⁄ !JaA C (3.5)
e o coeficiente de desempenho total é dado por,
= (,E⁄ !JaA C (3.6)
3.3 Modelo Aplicado da Adsorção
Modelos matemáticos são encontrados na literatura para representar as isotermas de adsorção. Estes modelos, de natureza semi0empírica ou derivados de equações de estados e da termodinâmica estatística, possuem particularidades que devem ser obdecidas quando de seu emprego.
adotaram essa equação para determinar os parâmetros isostéricos e os calores isotérmicos de adsorção em seus experimentos. A forma da equação de Toth utilizada é dada por,
∗ = ƒBj•€ (( ,=" )/ ) /…1 + mƒB/ ∗ j•€ (( ,=" ) n(†p (⁄ (3.7)
na qual ∗ a quantidade de adsorbato (água) adsorvida pelo adsorvente (sílica) nas condições de equilíbrio, ∗ é a capacidade de adsorção do adsorvente em monocamada, ,=" é a entalpia isostérica de adsorção, é a constante universal dos gases, é a temperatura de equilíbrio do adsorbato na fase gasosa e é a pressão de equilíbrio do adsorbato na fase gasosa,ƒBconstante preexponecial, e é a constante de Toth.
O valor da constante de Toth t está entre o intervalo de 0 e 1, porém pode ser maior do que 1, segundo Valenzuela e Myers (CHUA , 2002).
A Tabela 3.1 apresenta os coeficientes da correlação para dois tipos de sílica, Chua . (2002).
Tabela 3.1 0 Coeficientes dacorrelação para dois tipos de sílica gel + água (CHUA , 2002)
Tipo ƒB ,=" t
(kg.kg01.kPa01) (kJ.kg01) (kg.kg01)
A (4,65±0,9) x 10010 (2,71±0,1) x 103 0,40 10 Toth
RD (7,30±2) x 10010 (2,693±0,1) x 103 0,45 12 Toth
RD (fabricante) 2,0 x 1009 2,51x103 Henry
O erro citado refere0se ao intervalo de 95% de cofidência do método de regressão dos mínimos quadrados dos dados experimentais.
Utilizaram0se neste trabalho os dados de sorção de Chua (2002) para os materiais adsorventes e o modelo proposto por Toth para, através de uma regressão não0linear empregando o método Marquardt com o SAS determinar novas constantes para o modelo,
# = ∗⁄ ∗ = ∗⁄ ∗ = j(ˆ‰ Z⁄ ) Š (3.8)
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo apresenta o protótipo experimental do ciclo adsorção com aquecimento indireto por energia solar, com a descrição de seus componentes, o sistema de medição e aquisição de dados e o princípio de funcionamento.
4.1 Componentes do Refrigerador
Os principais componentes do refrigerador com ciclo de adsorção são um adsorvedor, um evaporador, um condensador e um coletor solar. No experimento foi utilizado um adsorvedor trapezoidal de placas planas, instalado na posição mais alta do sistema. O coletor solar foi conectado ao adsorvedor por duas tubulações, uma de entrada e outra de saída da serpentina de aquecimento na câmara inferior do adsorvedor. Uma tubulação na parte superior do adsorvedor (câmara de equalização) para entrada/saída do fluido refrigerante foi conectado ao condensador e evaporador. A Figura 4.1 mostra a fotografia do protótipo, com coletor solar a frente, adsorvedor trapezoidal de placa plana isolado ao centro e evaporador na parte mais posterior.
4.1.1 Adsorvedor Trapezoidal de Placa Plana
O adsorvedor é o componente principal do sistema de refrigeração e é o local onde ocorrem os processos de adsorção/dessorção, ou seja, aprisionamento ou liberação do fluido refrigerante nas cavidades do material adsorvente.
O adsorvedor trapezoidal de placa plana é formado por duas câmaras dispostas horizontalmente e separadas por uma tela metálica (placa plana paralela). Na câmara inferior, está o leito adsortivo, sílica gel tipo RD; no interior deste material, está instalada uma serpentina (tubulação de cobre) na qual escoa um fluxo de óleo térmico aquecido no coletor de alta eficiência em altas temperaturas (aquecimento indireto). O fluído de trabalho (adsorbato) escoa através da tela plana para a câmara superior de equalização do adsorbato na fase de vapor. A câmara está interligada sequencialmente ao condensador e ao evaporador. O adsorvedor é isolado com manta flexível, removível, para ser descoberto nos períodos noturnos, durante a fase de resfriamento. A Figura 4.2 mostra uma fotografia do adsorvedor na fase fabricação.
